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[導(dǎo)讀]   單相電用來(lái)為民用和辦公電器供電,而三相交流(a.c.)系統(tǒng)則廣泛用于配電及直接為功率更高的設(shè)備提供電力。本文介紹了三相系統(tǒng)的基本原理以及可能的不同測(cè)量連接之間的差異。   三相系統(tǒng)   三相

  單相電用來(lái)為民用和辦公電器供電,而三相交流(a.c.)系統(tǒng)則廣泛用于配電及直接為功率更高的設(shè)備提供電力。本文介紹了三相系統(tǒng)基本原理以及可能的不同測(cè)量連接之間的差異。

  三相系統(tǒng)

  三相電由頻率相同、幅度類(lèi)似的三個(gè)AC電壓組成。每個(gè)ac電壓“相位”與另一個(gè)ac電壓相隔120°(圖1)。這可以通過(guò)圖形方式,使用波形和矢量圖(圖2)進(jìn)行表示。

  

  圖1. 三相電壓波形

  

  圖2. 三相電壓矢量

  使用三相系統(tǒng)的原因有兩個(gè):

  1. 可以使用三個(gè)矢量間隔的電壓,在馬達(dá)中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。從而可以在不需要額外繞組的情況下啟動(dòng)馬達(dá)。

  2. 三相系統(tǒng)可以連接到負(fù)載上,要求的銅纜連接數(shù)量(傳輸損耗)是其它方式的一半。

  我們看看三個(gè)單相系統(tǒng),每個(gè)系統(tǒng)為一個(gè)負(fù)載提供100W的功率(圖3)。總負(fù)載是3 x 100W = 300W。為提供電力,1安培電流流經(jīng)6根線(xiàn),因此有6個(gè)單位的損耗。也可以把三個(gè)電源連接到一個(gè)公共回程上,如圖4所示。當(dāng)每個(gè)相位中的負(fù)載電流相同時(shí),負(fù)載被認(rèn)為是均衡的。在負(fù)載均衡、且三個(gè)電流相位彼此位移120°的情況下,任何時(shí)點(diǎn)上的電流之和都為零,回程線(xiàn)路中沒(méi)有電流。

  

  圖3. 三個(gè)單相電源 – 6個(gè)單位損耗

  

  圖4. 三相電源,均衡負(fù)載 – 3個(gè)單位損耗

  在三相120°系統(tǒng)中,要求3根線(xiàn)傳送功率,而在其它方式下則要求6根線(xiàn)。要求的銅纜數(shù)量減少了一半,導(dǎo)線(xiàn)傳輸損耗也將減半。

  Y形接法或星形接法

  擁有公共連接的三相系統(tǒng)通常如圖5的示意圖所示,稱(chēng)為“Y形或星形”接法。

  公共點(diǎn)稱(chēng)為中性點(diǎn)。為安全起見(jiàn),這個(gè)點(diǎn)通常在電源上接地。在實(shí)踐中,負(fù)載并不是完美均衡的,要使用第四條“中性”線(xiàn)傳送得到的電流。如果本地法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)允許,中性導(dǎo)體可能會(huì)比三條主導(dǎo)體小得多。

  

  圖5. Y形接法或星形接法 – 三相四線(xiàn)

  三角形接法

  上面討論的三個(gè)單相電源也可以串聯(lián)起來(lái)。在任何時(shí)點(diǎn)上,三個(gè)120°相移電壓之和都是零。如果和為零,那么兩個(gè)端點(diǎn)都處在相同的電位,可以聯(lián)接在一起。這種接法如圖7中的示意圖所示,使用希臘字母Δ表示,稱(chēng)為三角形接法。

  

  圖6. 任意時(shí)間的瞬時(shí)電壓之和為零

  

  圖7. 三角形接法 – 三相三線(xiàn)

  Y形接法和三角形接法比較

  Y形接法用來(lái)為家庭和辦公中使用的日常單相設(shè)備供電。單相負(fù)載連接到線(xiàn)路和中性線(xiàn)之間Y形的一條腿上。每個(gè)相位的總負(fù)載盡可能多地共享,以便為主三相電源提供均衡負(fù)載。

  Y形接法還可以為更高電壓上更高的功率負(fù)載提供單相或三相電。單相電壓是相位到中性電壓。另外還提供較高相間電壓,如圖8中的黑色矢量所示。

  

  圖8. V phase-phase = √3 x V phase-neutral

  三角形接法最常用的情況是為功率較高的三相工業(yè)負(fù)載供電。然而,通過(guò)沿著變壓器線(xiàn)圈進(jìn)行連接或“分接”,可以從三相三角形電源中獲得不同的電壓組合。例如,在美國(guó),240V三角形系統(tǒng)可以有分相或中心分接線(xiàn)圈,提供兩個(gè)120V電源(圖9)。為安全起見(jiàn),中心分接點(diǎn)可以在變壓器上接地。在中心分接點(diǎn)和三角形接法的第三條“高腳”之間,還提供了208V電壓。

  

  圖9. 三角形接法,采用“分相”或“中心分接”線(xiàn)圈

  功率測(cè)量

  在交流系統(tǒng)中,功率使用功率表測(cè)量。現(xiàn)代數(shù)字采樣功率表,把多個(gè)電壓和電流的瞬時(shí)樣點(diǎn)乘在一起,計(jì)算瞬時(shí)功率,然后取一個(gè)周期中瞬時(shí)功率的平均值,表示有功功率。功率表將在廣泛的波形、頻率和功率因數(shù)范圍上,準(zhǔn)確測(cè)量有功功率、視在功率、無(wú)功負(fù)載、功率因數(shù)、諧波等等。為使功率分析儀提供良好的結(jié)果,必須能夠正確識(shí)別布線(xiàn)配置,正確連接功率分析儀。

  單相功率表連接

  只要求一個(gè)功率表,如圖10所示。系統(tǒng)與功率表電壓端子和電流端子的連接簡(jiǎn)單明了。功率表的電壓端子透過(guò)負(fù)載并連,電流通過(guò)與負(fù)載串聯(lián)的電流端子輸入。

  

  圖10. 單相雙線(xiàn)和DC測(cè)量

  單相三相連接

  在這個(gè)系統(tǒng)中,如圖11所示,從一個(gè)中心分接的變壓器線(xiàn)圈中產(chǎn)生電壓,所有電壓都同相。這在北美住宅應(yīng)用中十分常見(jiàn),其中提供了一個(gè)240 V電源和兩個(gè)120V電源,在每條腿線(xiàn)上可能有不同的負(fù)載。為測(cè)量總功率和其它數(shù)量,應(yīng)如圖11所示連接兩個(gè)功率表。

  

  圖11. 單相三線(xiàn)

  布朗德?tīng)柖ɡ恚阂蟮墓β时頂?shù)量

  在單相系統(tǒng)中,只有兩根線(xiàn)。功率使用一個(gè)功率表測(cè)量。在三線(xiàn)系統(tǒng)中,要求兩個(gè)功率表,如圖12所示。

  一般來(lái)說(shuō),要求的功率表數(shù)量 = 線(xiàn)數(shù) - 1

  

  圖12. 三線(xiàn)Y形系統(tǒng)

  驗(yàn)證三相Y形系統(tǒng)

  功率表測(cè)量的瞬時(shí)功率是瞬時(shí)電壓和電流樣點(diǎn)之積。

  功率表1讀數(shù) = i1 (v1 - v3)

  功率表2讀數(shù) = i2 (v2 - v3)

  讀數(shù)之和W1 + W2 = i1v1 - i1v3 + i2v2 - i2v3

  = i1v1 + i2v2 - (i1 + i2) v3

 ?。ǜ鶕?jù)基爾霍夫定律,i1 + i2 + i3 = 0, so i1 + i2 = -i3)

  2個(gè)讀數(shù)W1 + W2 = i1v1 + i2v2 + i3v3 = 總瞬時(shí)功率。

  三相三線(xiàn)接法 – 兩個(gè)功率表方法

  在有三根線(xiàn)時(shí),要求兩個(gè)功率表測(cè)量總功率。根據(jù)圖所示方法連接兩相到功率表的電壓端子。

  

  圖13. 三相三線(xiàn)、兩個(gè)功率表方法

  三相三線(xiàn)接法 – 三個(gè)功率表方法

  如前所述,盡管測(cè)量三線(xiàn)系統(tǒng)中的總功率只要求兩個(gè)功率表,但有時(shí)可以方便地使用三個(gè)功率表。在如圖所示的接法中,通過(guò)把所有三個(gè)功率表的電壓低端子連接在一起,創(chuàng)建一個(gè)假中性線(xiàn)。

  

  圖14. 三相三線(xiàn)(三個(gè)功率表方法,把分析儀設(shè)置成三相四線(xiàn)模式)

  三線(xiàn)三個(gè)功率表的接法的優(yōu)勢(shì)在于,它指明每一個(gè)相的功率(這在兩個(gè)功率表的接法中是不可能的)以及相到中線(xiàn)電壓。

  三相四線(xiàn)接法

  測(cè)量四線(xiàn)系統(tǒng)中的總功率要求三個(gè)功率表。測(cè)得的電壓是真實(shí)的相電壓。通過(guò)使用矢量數(shù)學(xué)運(yùn)算,可以從相電壓的幅度和相位中準(zhǔn)確地計(jì)算出相間電壓。現(xiàn)代電源分析儀也使用基爾霍爾定律,計(jì)算流過(guò)中線(xiàn)的電流。

  

  圖15. 三相四線(xiàn)(三個(gè)功率表方法)

  配置測(cè)量設(shè)備

  在線(xiàn)數(shù)一定(N)時(shí),要求N-1個(gè)功率表測(cè)量整體電能質(zhì)量,如功率。必須確保擁有足夠數(shù)量的通道,且正確連接。

  現(xiàn)代多通道功率分析儀將使用相應(yīng)的內(nèi)置公式,直接計(jì)算整體電能質(zhì)量,如瓦特、伏特、安培、伏安和功率因數(shù)。公式根據(jù)布線(xiàn)配置選擇,因此設(shè)置布線(xiàn)對(duì)獲得良好的總功率測(cè)量至關(guān)重要。擁有矢量功能的功率分析儀還將把相電壓(或Y形)分量轉(zhuǎn)換成線(xiàn)電壓(或三角形)分量。只能使用因數(shù)√3,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間轉(zhuǎn)換,或?qū)饩€(xiàn)性系統(tǒng)上只有一個(gè)功率表的測(cè)量定標(biāo)。

  了解布線(xiàn)配置、正確進(jìn)行連接對(duì)功率測(cè)量至關(guān)重要。熟悉常用的布線(xiàn)系統(tǒng),記住布朗德?tīng)柖ɡ?,將幫助您獲得相應(yīng)的連接以及可以依賴(lài)的結(jié)果。

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